Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
MỤC LỤC
Mục lục I
Danh mục hình vẽ IV
Danh mục bảng VI
Thuật ngữ viết tắt VII
Lời mở đầu 1
Chương 1: Tổng quan về WiMAX 3
1.1 Giới thiệu về WiMAX 3
1.2 Các chuẩn WiMAX 5
1.3Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 5
2.Các chuẩn bổ sung của WiMAX 7
2.1 Phân loại 10
2.2 Đặc điểm chung của WiMAX 11
2.3 Hệ thống WiMAX 12
2.4Mô hình hệ thống 12
3.Cấu hình mạng 16
3.2 Một số kĩ thuật sử dụng trong WiMAX 18
3.3Kĩ thuật OFDM 18
4.Chuỗi bảo vệ 20
5.Kĩ thuật song công 22
6.Kĩ thuật OFDMA 23
7.Điều khiển công suất 24
8.Điều chế thích nghi 25
8.1 Ưu nhược điểm của WiMAX 26
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 I
Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
8.2Ưu điểm 26
9.Nhược điểm 28
9.1 Các ứng dụng của WiMAX 29
9.2 Kết luận chương 30

Mô hình phân lớp của WiMAX 33
10.1 Mô hình phân lớp 33
10.2 Lớp MAC 34
11.Lớp con hội tụ (MAC CS) 35
12.Lớp con phần chung MAC (MAC CPS) 36
13.Lớp con bảo mật (MAC PS) 42
14.MAC PDU 45
14.2 Lớp vật lí 53
14.3 Kết luận chương 54
Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX 55
15.1 Cấu trúc khung TDD 55
15.2Cấu trúc OFDM symbol 55
16.Cấu trúc khung TDD 56
16.1 Cấu hình trúc khung trong chế độ PMP 59
16.2Chế độ PMP 59
17.Cấu trúc khung MAC 60
17.1 Cấu trúc khung trong chế độ Mesh 64
17.2Cấu hình lưới Mesh 64
18.Cấu trúc và hoạt động của khung MAC 66
18.2 Cấu trúc khung trong chế độ Multihop 73
18.3Cấu hình chuyển tiếp Multihop Relay 73
18.4Cấu trúc khung MAC và hoạt động 74
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 II
Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
18.5 Kết luận chương 79
Kết luận chung 80
Tài liệu tham khảo 81
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 III
Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sự phát triển của lớp vật lý IEEE 802.16 7
Hình 1.2. Mô hình hệ thống WiMAX 13
Hình 1.3. Kết nối tới một trạm gốc 14
Hình 1.4. Kết nối tới thiết bị thu 15
Hình 1.5. Cấu hình điểm-đa điểm 17
Hình 1.6. Cấu hình lưới 17
Hình 1.7. Cấu hình chuyển tiếp multihop 18
Hình 1.8. Kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 19
Hình 1.9. So sánh giữa FDM và OFDM 20
Hình 1.10. Chuỗi bảo vệ 21
Hình 1.11. ISI và cyclic prefix 22
Hình 1.12. TDD và FDD 23
Hình 1.13. Sự khác nhau giữa OFDM và OFDMA 24
Hình 1.14. Các phương pháp điều chế trong WiMAX IEEE 802.16 26
Hình 2.15. Mô hình phân lớp WiMAX 34
Hình 2.16. Luồng dữ liệu qua mỗi lớp 35
Hình 2.17. Quy trình bảo mật trong WiMAX 43
Hình 2.18. Định dạng MAC PDU 45
Hình 2.19. Định dạng của tiêu đề MAC PDU chung 46
Hình 2.20. Định dạng tiêu đề yêu cầu dải thông 47
Hình 2.21. Ghép nối các MAC PDU 49
Hình 2.22. Phân đoạn thành các MAC PDU 50
Hình 2.23. Đóng gói các SDU kích thước cố định 52
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 IV
Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ
Hình 2.24. Đóng gói các SDU kích thước thay đổi 52
Hình 3.25. Cấu trúc symbol OFDM trong miền thời gian 55
Hình 3.26. Cấu trúc symbol OFDM trog miền tần số 56
Hình 3.27. Miêu tả OFDM symbol trong miền tần số và thời gian 56
Hình 3.28. Cấu trúc khung TDD 58

Hình 3.29. Chế độ PMP 60
Hình 3.30. Cấu trúc khung MAC với TDD trong chế độ PMP 61
Hình 3.31. Hoạt động lớp MAC trong chế độ PMP 63
Hình 3.32. Chế độ Mesh 65
Hình 3.33. Khung MAC trong chế độ Mesh 67
Hình 3.34. Cấu trúc khung MAC trong WiMAX mesh mode 68
Hình 3.35. Cấu trúc2 bản tin cấu hình 69
Hình 3.36. Cấu trúc 3 bản tin điều khiển lập lịch 69
Hình 3.37. Lập lịch tập trung 70
Hình 3.38.Thuật toán bầu chọn lưới để truyền trong khe thời gian hiện tại 71
Hình 3.39. Cấu hình Multihop relay 74
Hình 3.40. Cấu trúc khung MAC chuyển tiếp Multihop trong chế độ Transparent 75
Hình 3.41. Chức năng cụ thể các vùng trong khung MAC 77
Hình 3.42. Cấu trúc khung MAC trong chế độ Nontransparent 78
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 V
Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Công nghệ WiMAX di động và các công nghệ cạnh tranh 4
Bảng 1.2. So sánh chuẩn 802.16, 16a, 16e 9
Bảng 1.3. Ứng dụng của WiMAX 29
Bảng 2.4. Các trường tiêu đề MAC chung 46
Bảng 2.5. Các trường tiêu đề MAC yêu cầu dải thông 47
Bảng 2.6. So sánh các giao diện vật lí 53
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 VI
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa
AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mã hóa tiên tiến
AK Authentication Key Khóa nhận thực
AP Access Point Điểm truy nhập

ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu tự động phát lại
ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải đồng bộ
BE Best Effort Nỗ lực tối đa
BER Bit Error Rates Tỉ lệ lỗi bít
BS Base Station Trạm gốc
BSC Base Station Control Điều khiển trạm gốc
BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát di động
BWA Broadband Wireless Access Truy cập vô tuyến băng rộng
CDMA
Wideband Code Division
Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CID Connection Identifier Định danh kết nối
CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng
CPE Customer Premises Equipment Thiết bị đầu cuối người dùng
CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra lỗi vòng dư
CSMA/CA
Carrier Sense Multiple Access
with Collision Detect
Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
có phát hiện xung đột
CTS Clear To Send Xóa để gửi
DCD Downlink Channel Description Mô tả kênh đường xuống
DES Data Encryption Standard Chuẩn mã hóa dữ liệu
DHCP
Dynamic Host Configuration
Protocol
Giao thức cấu hình trạm động
DL Downlink Đường lên
DSL Digital Subscriber Line Đường thuê bao số

DSLAM
Digital Subscriber Line Access
Multiplexer
Ghép truy nhập đường thuê bao số
ETSI
European Therapy Studies
Institute
Viện tiêu chuẩn viễn thông châu
Âu
FCH Frame Control Header Tiêu đề điều khiển khung
FDD Frequency Division Duplexing Ghép kênh phân chia theo tần số
FFT Fast Fourier Transformer Biến đổi Fourier nhanh
GI Guard Interval Chuỗi bảo vệ
GMH General MAC Header Tiêu đề MAC chung
GPC Grant per Connnection Cấp phát trên mỗi kết nối
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 VII
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
GPSS Grant per SubScrible Cấp phát trên mỗi trạm thuê bao
HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản
IEEE
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện các kỹ sư Điện và Điện tử
ISI Intersymbol Interference Nhiễu xuyên kí hiệu
LOS Line of Sight Tầm nhìn thẳng
LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn
MAC Mandatory Access Control Điều khiển truy nhập bắt buộc
MBWA
Mobile Broadband Wireless
Access

Truy cập không dây di động băng
rộng
MS Mobile Station Trạm di động
NLOS Non line of sight Tầm nhìn không thẳng
NMS Network Management Symtem Hệ thống quản lí mạng
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
OFDMA
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing Access
Đa truy nhập phân chia theo tần số
trực giao
PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức
PHS Payload Header Suppression Nén tiêu đề tải trọng
PHY Physical Lớp vật lí
PKM
Privacy and Key Management
Protocol
Giao thức quản lí khóa và bảo mật
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
RS Relay Station Trạm chuyển tiếp
RSA
Ron Rivest, Adi Shamir và Len
Adleman
Thuật toán mã hóa RSA (chữ cái
đầu tên 3 nhà khoa học)
RTG Receive Transition Gap Khoảng thời gian nhận -truyền

rtPS Real-time Polling Service
Dịch vụ kiểm soát vòng thời gian
thực
RTS Request To Send Yêu cầu để gửi
SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ
SDU Sevice Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ
SFID Service Flow Identifier định danh luồng dịch vụ
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
SOFDMA
Scalable Orthogonal Frequency
Division Multiplexing Access
Đa truy nhập phân chia theo tần số
trực giao mở rộng
SS Subscriber Station Trạm thuê bao
TDD Time Division Duplexing
Ghép kênh phân chia theo thời
gian
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia thời gian
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 VIII
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
TEK Traffic Encryption Key Khóa mã hóa lưu lượng
TFTP Trivial File Transfer Protocol
Giao thức truyền tải file tầm
thường
TTG Transmit Transition Gap Khoảng thời gian truyền - nhận
UCD Uplink Channel Description Mô tả kênh đường lên
UGS Unsolicited Grant Service Dịch vụ cấp phát tự nguyện
UL Uplink Đường xuống
UMTS
Universal Mobile

Telecommunication System
Hệ thống viễn thông di động toàn
cầu
VLAN Virtual LAN Mạng LAN ảo
VoIP Voice over Internet Protocol Giao thức thoại qua Internet
WiMAX
Worldwide Interoperability of
Microwave Access
Khả năng tương tác toàn cầu với
truy nhập vi ba
WLAN Wireless Local Area Network Mạng LAN không dây
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 IX
Đồ án tốt nghiệp Đại học Nhận xét
NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM
(Của giáo viên hướng dẫn)
Những năm gần đây, mạng vô tuyến phát triển bùng nổ nhằm phục vụ những nhu
cầu ngày càng tăng và đa dạng của người sử dụng. Nằm trong xu thế đó mạng WiMAX
ra đời nhằm mục đích cung cấp dịch vụ đa dạng không dây tốc độ cao cho người sử dụng
mọi lúc mọi nơi.
WiMAX hoạt động mềm dẻo với các chế độ khác nhau như cấu hình điểm – đa
điểm, cấu hình lưới và cấu hình chuyển tiếp. Đồ án “Cấu trúc khung MAC trong các
chế độ hoạt động của WiMAX” của sinh viên Nguyễn Huy Quang lớp D08VT tập
trung tìm hiểu các trường trong cấu trúc khung MAC tại ba chế độ hoạt động khác nhau
của WiMAX.
Nội dung của đồ án được trình bày mạch lạc theo kết cấu sau:
• Tổng quan về WiMAX
• Mô hình phân lớp của WiMAX
• Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX
Trong quá trình thực hiền đồ án, sinh viên Nguyễn Huy Quang đã thể hiện tính
độc lập, chủ động nghiên cứu hoàn thành đồ án cũng như tích cực trao đổi với giáo viên

hướng dẫn về những nội dung còn vướng mắc.
Dựa vào nội dung hoàn thành của đồ án và thái độ thực nghiêm túc làm đồ án của
sinh viên đề nghị hội đồng chấm đồ án thông qua.

Điểm: …… (Bằng chữ: ………….) Ngày 10 tháng 12 năm 2012
Giáo viên hướng dẫn
ThS. Lê Tùng Hoa
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 X
Đồ án tốt nghiệp Đại học Nhận xét
NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM
(Của Người phản biện)
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………
Điểm: …… (Bằng chữ: ………….) Ngày tháng năm 2012
CÁN BỘ- GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

(ký, họ tên)
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 XI
Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời mở đầu
LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ viễn thông ngày nay đang có sự phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là các
công nghệ không dây băng rộng tốc độ cao. WiMAX - chuẩn mạng không dây diện
rộng (WMAN) hứa hẹn một tương lai tươi sáng cho các dịch vụ dữ liệu không dây
trong phạm vi rộng và thúc đẩy xu hướng hội tụ các dịch vụ thoại di động và cố định
truyền thống với các dịch vụ dữ liệu di động hay cố định băng thông rộng. WiMAX
với những công nghệ đặc tính vượt trội là một giải pháp tích cực có thể giải quyết các
vấn đề đa truy nhập về mặt chi phí lắp đặt, khoảng cách phủ sóng, tốc độ đường
truyền, đồng thời thu hút được sự tham gia hợp tác của các tập đoàn điện tử lớn trong
việc sản xuất thúc đẩy sự hoàn thiện của công nghệ mới này.
WiMAX không chỉ đa dạng về dịch vụ hỗ trợ mà còn hỗ trợ nhiều cấu hình
hoạt động khác nhau. Nếu như chế độ điểm-đa điểm bị giới hạn về khoảng cách
truyền dẫn thì chế độ lưới của WiMAX được đưa ra nhằm hỗ trợ các đầu cuối di động
không nhất thiết phải nằm trong vùng phủ sóng của trạm gốc. Trong chế độ lưới các
đầu cuối di động tham gia vào quá trình “kết nối trung gian” dẫn đến việc cấu trúc
khung MAC cần có sự thay đổi giữa các chế độ hoạt động. Tuy nhiên lại đặt ra vấn đề
về tính tương thích giữa các đầu cuối di động khi hoạt động chuyển giao giữa các chế
độ khác nhau. Chế độ chuyển tiếp ra đời nhằm nâng cao hiệu quả của chế độ điểm-đa
điểm bằng việc thêm vào hệ thống các trạm chuyển tiếp. Trên quan điểm đó, đề tài tốt
nghiệp của em với tiêu đề: “Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của
WiMAX” được thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu tổng quan về WiMAX, đồng thời
sẽ tìm hiểu mô hình phân lớp cũng như cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt
động của WiMAX.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của cô giáo ThS. Lê Tùng Hoa, dựa
trên kiến thức và tài liệu tham khảo, phần nội dung của đồ án được chia thành 3
chương chính:
 Chương 1: Tổng quan về WiMAX

SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 1
Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời mở đầu
Giới thiệu tổng về công nghệ WiMAX, các chuẩn và đặc điểm trong công
nghệ này, cùng với một số kĩ thuật được sử dụng trong WiMAX.
 Chương 2: Mô hình phân lớp của WiMAX
Chương này trình bày cụ thể về mô hình phân lớp WiMAX, cấu trúc và
chức năng của từng lớp cụ thể. Cùng với đó là cấu trúc khung luồng dữ liệu
qua mỗi lớp, các quá trình phát triển giao diện vật lí của WiMAX.
 Chương 3: Cấu trúc khung MAC trong các chế độ hoạt động của WiMAX
Trình bày cấu trúc khung TDD tổng quát, nói rõ hơn về ba chế độ hoạt
động điểm – đa điểm, lưới và chuyển tiếp multihop, cơ chế hỗ trợ trong
từng cấu hình và cấu trúc khung TDD trong từng chế độ hoạt động.
Cuối cùng, em xin cảm ơn các thầy trong bộ môn viễn thông đã tạo điều kiện
thuận lợi về mọi mặt để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình. Em xin
gửi lời cảm ơn chân thành đến cô giáo Th.S Lê Tùng Hoa đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ
bảo, góp ý và hỗ trợ em trong thời gian qua.
Hà Nội, ngày 1 tháng 12 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Huy Quang
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 2
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan về Wimax
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ WIMAX
Chương 1 giới thiệu chung nhất về công nghệ, hệ thống WiMAX, các chuẩn và
đặc điểm trong công nghệ này. Cùng với đó là các kĩ thuật phổ biến được sử dụng
trong WiMAX và các ưu nhược điểm cũng như các mô hình ứng dụng hiện nay.
1.1 Giới thiệu về WiMAX
WiMAX (viết tắt của Worldwide Interoperability of Microwave Access) là một
kỹ thuật viễn thông cung cấp việc truyền dẫn không dây ở khoảng cách lớn bằng
nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm - điểm cho tới kiểu truy nhập tế bào với
tốc độ khá lớn, được nghiên cứu và phát triển dựa trên các tiêu chuẩn của IEEE

802.16, còn được gọi là WirelessMan tức mạng không dây đô thị. WiMAX cho phép
người dùng có thể duyệt Internet trên máy laptop mà không cần kết nối vật lý bằng
cổng Ethernet tới router hoặc switch. Tên WiMAX do WiMAX Forum tạo ra, bắt đầu
từ tháng 6 năm 2001 đề xướng việc xây dựng một tiêu chuẩn cho phép kết nối giữa
các hệ thống khác nhau. Diễn đàn này cũng miêu tả WiMAX là “tiêu chuẩn dựa trên
kĩ thuật cho phép truyền dữ liệu không dây băng thông rộng giống như với cáp và
DSL.” Diễn đàn WiMAX là một tổ chức của các nhà khai thác và các công ty thiết bị
và cấu kiện truyền thông hàng đầu. Mục tiêu của Diễn đàn WiMAX là thúc đẩy và
chứng nhận khả năng tương thích của các thiết bị truy cập vô tuyến băng rộng tuân thủ
chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI (Viện tiêu chuẩn viễn
thông châu Âu). Diễn đàn WiMAX được thành lập để dỡ bỏ các rào cản tiến tới việc
chấp nhận rộng rãi công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng BWA (Broadband Wireless
Access), vì riêng một chuẩn thì không đủ để khuyến khích việc chấp nhận rộng rãi
một công nghệ. Theo mục tiêu này, diễn đàn đã hợp tác chặt chẽ với các nhà cung cấp
và các cơ quan quản lý để đảm bảo các hệ thống được diễn đàn phê chuẩn đáp ứng các
yêu cầu của khách hàng và của các chính phủ.
Hiện nay mạng băng rộng đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển rất
nhanh nên luôn tồn tại các công nghệ cạnh tranh. Các công nghệ cạnh tranh của
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 3
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan về Wimax
WiMAX có thể kể đến như LTE hay như truy nhập không dây băng rộng. Cụ thể các
công nghệ cạnh tranh cùng giao diện vô tuyến được thể hiện ở bảng dưới.
BQng 1.1. Công nghệ WiMAX di động và các công nghệ cạnh tranh
Công nghệ
Giao diện vô
tuyến
Tốc độ dữ liệu
(Mbps)
Độ rộng kênh
Downlin

k
Uplink
WiMAX OFDM,OFDMA 75 75 20-MHz
UMTS-TDD TD-CDMA 16 16 5-MHz
3GPP LTE OFDM,OFDMA 100 100 20-MHz
CDMA2000/EVDO FD-CDMA 3.1 1.8
N × 1.25-MHz,
N ≤ 4
3GPP ultra mobile
broadband
OFDMA 275 75 20-MHz
Như thể hiện trong bảng 1.1 WiMAX di động có một số công nghệ cạnh tranh,
đối thủ chính là các công nghệ mạng di động tế bào 3G đang được tiếp tục phát triển
và tiến hóa để cung cấp tốc độ băng thông lớn. So với mạng WiMAX, các mạng tế
bào 3G rõ ràng có lợi thế của việc có sẵn cơ sở hạ tầng có thể nâng cấp để cung cấp
truy cập không dây băng rộng với chi phí được giảm thiểu. Do đó khi một người dùng
di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của các thiết bị được nâng cấp, họ có thể trở lại hệ
thống hiện có chưa được nâng câp trong một môi trường di động đầy đủ. Điều này có
lợi thế hơn hẳn một mạng phải triển khai mới hoàn toàn như WiMAX.
Hiện tại có hai công nghệ 3G chính, UMTS (Hệ thống viễn thông di động toàn
cầu) và CDMA2000. Đối với UMTS, UMTS-TDD, hiện đang đề xuất sử dụng TD-
CDMA là giao diện vô tuyến, nhằm mục đích cung cấp một tốc độ dữ liệu 16Mbps cả
đường xuống và đường lên trên một kênh băng thông 5 MHz. Hơn nữa UMTS sẽ
chuyển lên 4G theo đường của 3GPP LTE, với giao diện vô tuyến OFDMA và OFDM
có thể được sử dụng để cung cấp tốc độ dữ liệu 100Mbps cho luồng lên và luồng
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 4
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan về Wimax
xuống tương ứng, trên một kênh băng thông 20 MHz. Đối với CDMA2000, EVDO
hiện đã được đề xuất sử dụng FD-CDMA là giao diện vô tuyến để cung cấp tốc độ dữ
liệu 3.1 và 1.8 Mbps tương ứng cho đường xuống và đường lên trên một kênh băng

thông 5 MHz. Tương tự như UMTS, CDMA2000 cũng sẽ chuyển lên 4G. Con đường
lên 4G của CDMA2000 cũng sẽ theo 3GPP2 siêu di động băng rộng, có thể sử dụng
OFDMA như giao diện vô tuyến để cung cấp tốc độ dữ liệu 275 và 75 Mbps cho
đường xuống và đường xuống tương ứng trên một kênh băng thông 20 MHz.
Ngoài công nghệ di động 3G và 4G, truy cập không dây di động băng rộng
(MBWA), hiện đang được phát triển bởi nhóm làm việc IEEE 802.20 cũng có thể là
một đối thủ đối với Wimax hiện nay. MBWA cũng tương tự như Wimax nhằm mục
đích cung cấp kết nối không dây tốc độ cao tới người dùng di động ở tốc độ di động
cao (120 – 350 km/h). Ở tốc độ cao như vậy MBWA sử dụng OFDMA làm giao diện
vô tuyến và sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu 1Mbps. MBWA có thể được thông qua như là
một phần của Wimax trong tương lai.
1.2 Các chuẩn WiMAX
1.3 Chuẩn IEEE 802.16 – 2001
Mục tiêu của tổ chức IEEE khi phát triển tiêu chuẩn 802.16 là xây dựng một
chuẩn chung để dễ dàng cho sự phát triển và phối hợp giữa các nhà sản xuất, nhà cung
cấp và cả người sử dụng, bên cạnh đó cũng thúc đẩy quá trình chứng nhận phối hợp
hoạt động và tuân thủ cho các hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng trên toàn cầu.
Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10 năm 2001 và được
công bố vào ngày 8 tháng 4 năm 2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện vô tuyến
WirelessMAN cho các mạng vùng đô thị. Hỗ trợ truy nhập không dây băng rộng như
một công cụ để liên kết giữa các tòa nhà hay các cơ quan, doanh nghiệp với nhau và
hỗ trợ kết nối ra các mạng viễn thông khác trên thế giới.
Trong định nghĩa chuẩn IEEE 802.16, một mạng vùng đô thị không dây sẽ
được hình thành dựa trên các trạm cơ sở trung tâm (BS) phủ sóng rộng khắp. Do hệ
thống không dây có khả năng hướng vào những vùng địa lý rộng mà không cần phát
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 5
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan về Wimax
triển cơ sở hạ tầng tốn kém như trong việc triển khai các kết nối cáp nên sẽ giảm được
rất nhiều chi phí trong việc triển khai.
Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập các giao diện vô tuyến

dựa trên một giao thức MAC thông thường nhưng với các đặc tả lớp vật lý phụ thuộc
vào việc sử dụng và những điều chỉnh phổ có liên quan. Chuẩn hướng vào các tần số
từ 10 – 66 GHz, nơi phổ rộng hiện có sẵn để sử dụng trên toàn cầu, nhưng tại đó
những bước sóng ngắn được xem như những thách thức trong việc triển khai do khả
năng bức xạ qua vật cản kém, nhất là ở nhưng nơi có nhiều tòa nhà cao tầng như thành
phố hay khu đô thị làm giảm đáng kể khả năng phủ sóng. Chính vì lý do đó đã là tiền
đề cho sự ra đời của chuẩn mới.
Một thay thế cho tiêu chuẩn IEEE 802.16 đã được phát triển ở châu Âu bởi
nhóm mạng truy cập vô tuyến băng thông rộng của Viện tiêu chuẩn viễn thông châu
Âu (ETSI). Tiêu chuẩn châu Âu này được gọi là mạng vô tuyến đô thị hiệu suất cao
(HIPERMAN). ETSI HIPERMAN định nghĩa chỉ một lớp vật lý với 256 sóng mang
OFDM. Lớp vật lý HIPERMAN là một phương thức bắt buộc trong tiêu chuẩn IEEE
802.16 và có thêm định nghĩa hai lớp vật lý khác, sóng mang đơn (SC) và 2048 sóng
mang OFDMA. ETSI HIPERMAN đã được hài hòa hóa và bắt đầu trở thành một tập
hợp con của tiêu chuẩn IEEE 802.16. Vì vậy các sản phẩm phù hợp với ETSI
HIPERMAN cũng phù hợp với WiMAX.
Hình 1.1 minh họa sự phát triển của lớp vật lý IEEE 802.16. Tiêu chuẩn IEEE
802.16 đầu tiên được hoàn thành vào tháng 12 năm 2001. Chuẩn này chỉ định nghĩa
chế độ điểm - đa điểm (PMP) cố định với một yêu cầu truyền dẫn tầm nhìn thẳng
(LOS) sử dụng sóng mang đơn trong dải tần số từ 10 tới 66GHz. IEEE 802.16 có thể
cung cấp tốc độ lên tới 134 Mbps nhưng không thể hoạt động trong tầm nhìn bị che
khuất (NLOS), do sử dụng sóng mang tần số cao. Trong một phiên bản tiếp theo IEEE
802.16a đã được định nghĩa hoạt động trong một môi trường NLOS trong dải tần số từ
2 tới 11 GHz. Phiên bản này hoàn thành vào tháng 1 năm 2003 và có khả năng hỗ trợ
tốc độ dữ liệu lên đến 75 Mbs bằng cách sử dụng giao diện vô tuyến OFDM và
OFDMA. Sau khi hài hòa với giao diện vô tuyến OFDM của ETSI HIPERMAN và
giao diện OFDMA của WiBro, IEEE 802.16d được hoàn tất trong tháng 10 năm 2004
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 6
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan về Wimax
với cả ba giao diện vật lý: sóng mang đơn, 256 sóng mang OFDM, và 2048 sóng

mang OFDMA. Trong khi IEEE 802.16d dùng cho mạng cố định, những sửa đổi của
IEEE 802.16e sau đó được hoàn tất vào tháng 12 năm 2005 để hỗ trợ mạng di động.
Trong IEEE 802.16e OFDMA mở rộng đã được giới thiệu để tiếp tục nâng cao hiệu
quả quang phổ.
Hình 1.1. Sự phát triển của lớp vật lý IEEE 802.16
2. Các chuẩn bổ sung của WiMAX
Những hạn chế của chuẩn ban đầu đã là tiền đề cho các chuẩn mới ưu việt hơn ra
đời.
• Chuẩn 802.16a
Chuẩn 802.16a được hoàn thành vào tháng 11-2002 và được công bố vào tháng
4 năm 2003. Chuẩn này cung cấp khả năng truy cập băng rộng không dây ở đầu cuối
và điểm kết nối bằng băng tần 2-11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không
cấp phép, với khoảng cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50 km trong trường hợp kết nối
điểm -điểm và 7-10 km trong trường hợp kết nối từ điểm - đa điểm. Tốc độ truy nhập
có thể đạt tới 70Mbps.
Trong khi với dải tần 10-66 Ghz chuẩn 802.16 - 2001 phải yêu cầu tầm nhìn thẳng,
thì với dải tần 2-11Ghz chuẩn 802.16a cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều
kiện tầm nhìn thẳng, tránh được tác động của các vật cản trên đường truyền như cây
cối, nhà cửa. Chuẩn này sẽ giúp ngành viễn thông có các giải pháp như cung cấp băng
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 7
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan về Wimax
thông theo yêu cầu, với thời gian thi công ngắn hay băng thông rộng cho hộ gia đình
mà công nghệ thuê bao số hay mạng cáp không tiếp cận được. So sánh với những tần
số cao hơn, những phổ như vậy tạo cơ hội để thu được nhiều khách hàng hơn với chi
phí chấp nhận được, mặc dù các tốc độ dữ liệu là không cao. Tuy nhiên, các dịch vụ
sẽ hướng tới những toà nhà riêng lẻ hay những xí nghiệp vừa và nhỏ.
• Chuẩn 802.16b
Chuẩn

này

hoạt

động

trên

băng

tầng

từ

5

–

6

Ghz

với

mục

đích

cung

ứng dịnh

vụ

với

chất

lượng

cao,

ưu

tiên

truyền

thông

tin

của

những

ứng

dụng

video, thoại,
thời

gian

thực

thông

qua

những

lớp

dịch

vụ

khác

nhau.

Chuẩn

này sau

đó

đã

được

kết

hợp

vào

chuẩn

802.16a.
• Chuẩn 802.16c
Chuẩn

này

được

định

nghĩa

thêm

các

nội

dung

mới

cho

dải

băng

tần

từ 10-
66GHz

với

mục

đích

cải

tiến

ứng

dụng.
• Chuẩn 802.16d
Chuẩn IEEE 802.16 - 2004 được chính thức phê chuẩn ngày 24 tháng 7 năm 2004
và được công bố rộng rãi vào tháng 9 năm 2004. IEEE 802.16 - 2004 thường được gọi
với tên 802.16-REVd. Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp các chuẩn
802.16-2001, 802.16a, 802.16c. Chuẩn mới này đã được phát triển thành một tập các
đặc tả hệ thống có tên là IEEE 802.16-REVd, nhưng đủ toàn diện để phân loại như là

một sự kế thừa hoàn chỉnh chuẩn IEEE 802.16 ban đầu.
Chuẩn 802.16d hỗ trợ cả 2 dải tần số, cho phép kết nối thực hiện ở các môi trường
khác nhau (LOS và NLOS).
• Chuẩn 802.16e
Chuẩn 802.16e - 2005 được tổ chức IEEE đưa ra vào tháng 11 năm 2005. Đây là
phiên bản phát triển dựa trên việc nâng cấp chuẩn 802.16 - 2004 nhằm hỗ trợ thêm
cho các dịch vụ di động. Chuẩn này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SOFDMA
(Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access), kỹ thuật điều chế đa
sóng mang sử dụng kênh phụ. Băng tần được khuyến cáo dành cho chuẩn là < 6Ghz
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 8
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan về Wimax
để phục vụ cho các ứng dụng trong môi trường không trong tầm nhìn thẳng và ứng
dụng di động. Tuy tốc độ và khả năng bao phủ không được lớn như chuẩn cố định,
nhưng với kênh băng thông 10 Mhz, nó cũng có thể đạt tới tốc độ 30 Mbps, với khả
năng bao phủ tới 15 km. Một đặc điểm nổi bật của chuẩn này là có thể ứng dụng trong
môi trường di động với tốc độ lý thuyết có thể lên tới đến 120 km/h.
• Chuẩn 802.16m
Hiện nay Viện Kĩ thuật Điện và Điện tử (IEEE) đã phê duyệt 802.16m - chuẩn cho
thế hệ tiếp theo của WiMAX vào năm 2011. IEEE 802.16m, còn được gọi là
WirelessMAN-Advanced hoặc WiMax-2, được phát triển tiếp sau 802.16e - chuẩn
toàn cầu đầu tiên cho WiMax di động. Chuẩn này hướng tới tăng tốc độ truyền của
WiMAX lên 1Gbps bằng cách dùng MIMO và các dãy anten.
Ngoài ra WiMAX còn có một số chuẩn khác như:
• 802.16f-2005 - cơ sở thông tin quản lý.
• 802.16g-2007 - các giao thức và dịch vụ quản lý.
• 802.16k-2007 - Bridging 802.16
• 802.16h- Cơ chế cùng tồn tại giữa các dải tần cấp phép (license) và tự do
(exempt).
• 802.16i- Cơ sở thông tin quản lý di động.
• 802.16j- Các đặc tính chuyển tiếp Multihop

Bảng 1.2 cho chúng ta thấy sự cải tiến các chuẩn để tối ưu hóa về dung lượng
cũng như chất lượng của hệ thống.
BQng 1.2. So sánh chuẩn 802.16, 16a, 16e
Ngày hoàn thành
802.16 802.16a 802.16e
8-2002 4-2003 2005
Phổ tần 10-66 GHz 2-11 GHz 2-6 GHz
Các điều kiện kênh LOS NLOS NLOS
Tốc độ bít
32-134 Mbps 70 Mbps ở kênh 15 Mbps ở kênh
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 9
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan về Wimax
ở kênh 28MHz 20 MHz 5 MHz
Điều chế
QPSK,
16QAM,
64AQM
256 sóng mang
con OFDM,
QPSK, 16QAM,
64QAM
128-2048 sóng
mang con
OFDMA,
QPSK, 16QAM,
64QAM
Tính di động Cố định Cố định Di động
Băng tần kênh
20, 25, và 28
MHz

Phạm vi từ 1,25-
20 MHz
Giống như
802.16a với các
kênh con đường
xuống
Bán kính tế bào
thông thường
2-5 Km
7.40 m
40 Km
2.1 Phân loại
Việc phân loại WiMAX dựa trên các thiết bị đầu cuối là cố định hay di động mà
hình thành nên WiMAX cố định hay di động. Tiêu chuẩn IEEE 802.16 được phát triển
bởi nhóm làm việc thiết kế với mục đích tốc độ cao, băng thông cao và dung lượng
cao, tiêu chuẩn cho cả cố định và mạng di động không dây băng rộng. Tiêu chuẩn cho
mạng cố định và di động không dây tương ứng là IEEE 802.16d và IEEE 802.16e.
Các sản phẩm phù hợp với IEEE 802.16d và IEEE 802.16e thường được gọi tương
ứng là WiMAX cố định và WiMAX di động. WiMAX cố định cho phép truy cập băng
thông rộng, trong khi đó WiMAX di động cung cấp đầy đủ tính di động cho các mạng
tế bào ở tốc độ băng rộng thực sự. Cụ thể:
• Wimax di động
Hoạt động ở tần số thấp, trong dải tần từ 2 GHz đến 11 GHz. Trong chế độ này, dữ
liệu được truyền từ trạm Wimax đến thiết bị thu di động. Do hoạt động ở tần số thấp
nên phạm vi phủ sóng của một trạm Wimax nhỏ, khoảng 6 - 7 km. Để có phạm vi phủ
sóng rộng hơn người ta cần phải lắp một số lượng lớn các trạm Wimax. WiMAX di
động sử dụng phương thức đa truy cập ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA
(Orthogonnal Frequency Division Multiple Access) là sự kết hợp của kỹ thuật ghép
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 10
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan về Wimax

kênh và kỹ thuật phân chia tần số có tính chất trực giao, rất phù hợp với môi trường
truyền dẫn đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng, tăng độ linh
hoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng phủ
sóng với các loại địa hình đa dạng.
• Wimax cố định
Hoạt động ở tần số cao, phổ tần số 10 - 66 GHz, bán kính phủ sóng lên đến 50
km. Trong chế độ này, anten của thiết bị thu cần được lắp đặt tầm nhìn thẳng với
trạm Wimax. Trong WiMAX cố định này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao OFDM (Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt
động trong môi trường nhìn thẳng – LOS (line-of-sight)
2.2 Đặc điểm chung của WiMAX
• Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km.
Ở những điều kiện tốt nhất có thể đạt được phạm vi phủ sóng 50 km với tốc độ dữ
liệu bị hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần 5 km với CPE
(Customer Premises Equipment) trong nhà và gần 15km với một CPE được nối với
một anten bên ngoài.
• Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s.
Có thể đạt được dung lượng 70 Mbit/s cho các trạm gốc với một kênh 20 MHz
trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất.
• Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: LOS (tầm nhìn thẳng) và NLOS
(tầm nhìn không thẳng).
Các anten thu phát trong mạng WiMAX có thể trao đổi thông tin qua các đường
truyền LOS hoặc NLOS. Đối với trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố
định tại các điểm trên cao do vậy tín hiệu thu được trong trường hợp này rất ổn định
và đạt tốc độ truyền tối đa. Tuy nhiên đối với trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử
dụng băng tần thấp hơn, 2 – 11 GHz tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật
chắn thông qua đường phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ…để tới đích.
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 11
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan về Wimax
• Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66 GHz hiện đã và đang được tiêu chuẩn

hoá.
WiMAX có thể hoạt động trong băng tầng từ 2-66 Ghz. Các ứng dụng khác nhau
sẽ dùng những băng tầng khác nhau để tránh sự giao thoa. Cụ thể, các ứng dụng di
động dùng băng tầng từ 2-11 GHz. Ở nhiều nước châu Âu, băng tầng 3.5 GHz được
dành riêng cho WiMAX di động. Các ứng dụng cố định (802.16d) thì dùng băng tầng
từ 10-66 GHz
• Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống
• Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz
Độ rộng băng tần được chia thành nhiều băng con. Với công nghệ OFDMA, cho
phép nhiều thuê bao có thể truy nhập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh
hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả.
• Hỗ trợ truyền dẫn song công TDD và FDD
Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (Time Division Duplexing) và FDD
(Frequency Division Duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn của hướng lên
(Uplink) và hướng xuống (Downlink). Với FDD thì đường lên có tần số thấp hơn
đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM. Còn TDD thì đường lên đường
xuống sử dụng cùng một tần số nhưng khác khe thời gian.
2.3 Hệ thống WiMAX
2.4 Mô hình hệ thống
Một hệ thống WiMAX hay một mạng WiMAX cũng bao gồm các trạm thuê bao
(SS) có thể có hoặc không là các nút sử dụng cuối và có thể là tĩnh hoặc động (cố định
hay di động). Các trạm gốc (BS) hay còn có thêm các trạm chuyển tiếp (RS). Các SS
nằm trong vùng phủ của BS đều được cung cấp các dịch vụ mạng. Việc kết nối giữa
các trạm gốc hay trạm phân phối với nhà cung cấp dịch vụ hay giữa các trạm gốc với
nhau sẽ được thông qua các đường backhauk. Thường thì các đường backhaul có dung
lượng lớn nên được truyền trên tầm nhìn thẳng LOS để giảm thiểu mất mát tín hiệu và
nhiễu. Cũng có thể đường backhaul là các đường truyền cáp. Và từ nhà cung cấp dịch
vụ sẽ có đường truyền kết nối tới các mạng backbone để kết nối tới các mạng khác.
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 12
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan về Wimax

Nhìn chung một hệ thống WiMAX sẽ gồm hai phần chính:
• Trạm gốc WiMAX (BS)
Một BS bao gồm hai phần: Phần điện tử bên trong và tháp WiMAX. Bán kính
phủ sóng của một tháp WiMAX theo lý thuyết khoảng 50km nhưng thực nghiệm chỉ
giới hạn trong khoảng 10km. Bất kì một node truy nhập không dây nào nắm trong bán
kính của một tháp WiMAX đều có thể truy nhập Internet.
Hình 1.2. Mô hình hệ thống WiMAX
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 13
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Tổng quan về Wimax
Hình 1.3. Kết nối tới một trạm gốc
Sóng điện từ thu được từ Anten, theo dây feeder RG213 đi vào trong phòng
máy đến một thiết bị đặt trong nhà gọi là WiMAX Access Point Indoor Unit. Thiết bị
này có chức năng biến đổi tính hiệu sóng điện từ thành tín hiệu điện và xử lý tín hiệu
này để kết nối vào hệ thống. Hệ thống WiMAX kết nối vào internet thông qua
DSLAM như mọi thuê bao ADSL bình thường. Cùng kết nối tới hệ thống này có một
NMS Server (Network Management Symtem Server) là một máy chủ chạy phần mềm
Breezel ITE của Alvarion máy chủ này có chức năng quản lý truy nhập của các CPE,
thống kê phân tích lưu lượng. Ngoài ra, tại phòng máy còn có một thiết bị gọi là
Media Gateway. Đây là thiết bị để kết nối hệ thống VoIP với hệ thống PSTN, hai
đường dây điện thoại sẽ được gắn với thiết bị này. Các thiết bị WiMAX trong nhà
Indoor Unit, NMS server, Media Gateway đều được gán địa chỉ Global IP để có thể
quản lý từ xa.
• Thiết bị thu
SVTH: Nguyễn Huy Quang – D08VT1 14